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高增益高效驅動器
高增益高效驅動器
級聯放大器是模擬設計師工具包中最有用的工具之一。它們具有高輸入阻抗、高增益，并在很寬的頻率范圍內工作。它們對幾乎所有需要高阻抗寬帶放大的應用都有幫助，并且經常用于射頻電路中的調諧、調制和放大。
級聯放大器也可以很好地用作驅動器。輸入與輸出的高度隔離使它們非常適合此目的。在 Intrinsix，我們經常使用它們來驅動混頻器、功率放大器和振蕩器的緩沖放大器。
傳統級聯放大器設計
為了保持高頻的完整性，IC 上的信號通常以互補對的形式傳輸；一種稱為差分信號的技術。級聯放大器可以很容易地適應差分信號。圖 1 顯示了使用上拉電阻 (R L )實現的傳統差分共源共柵放大器，代表放大器上的電阻負載。該放大器有兩個特性使其非常適合用作驅動器：高隔離度和高帶寬。正如下面將要討論的，該放大器的效率受上拉電阻器的限制。
圖 1：具有電阻上拉的級聯放大器
參考圖 1，放大器的電壓增益由集電極 (IC) 上的晶體管電流和負載電阻 (R L ) 決定。對于中高放大器電流，R L兩端的壓降顯著限制了互補輸出、outp 和 outm 處的交流電壓擺幅。由于靜態點 V Q介于 V CC和 (2V CE + V CS ) 之間，當 V CE和 V CS最小時，峰值幅度被限制為 V CC /2 。此外，上拉電阻上的直流電源會丟失。這些效應通過限制增益和增加功率損耗來降低放大器的效率。
提高級聯驅動器的效率
為了提高增益并降低功率損耗，Intrinsix 的工程師開發了一種使用耦合電感器的技術。請參閱圖 2，其中顯示了帶有電感上拉的共源共柵放大器。該放大器的靜態點為 V CC - 是圖 1 中所示放大器靜態點的兩倍。電感支持的動態電流變化 (dI C /dt) 允許電壓擺幅高于 V CC，從而增加兩倍在增益。此外，電感器上的直流電壓降可以接近零，與帶有電阻上拉的放大器相比，可以降低直流功率損耗。結果是顯著更高效的級聯驅動程序。
圖 2：具有電感上拉的級聯放大器
但是，該驅動器的效率取決于電感器的品質因數 (Q)。Q 越高，電感器的電阻相對于其感抗越低。換句話說，Q越高，它就越接近理想電感。
為了增加 Q，電感的正負側緊密耦合。這會增加每側的電感，而不會增加 IC 的物理尺寸。通過以這種方式緊密耦合，電感可以增加 (1 + k) 倍，其中 k 是耦合系數。
這種方法有一個限制。與具有電阻上拉的共源共柵驅動器相比，電感加載驅動器具有更窄的帶寬。這是因為負載電容、電感器和放大器的輸出電容形成并聯諧振電路，其通帶由諧振頻率決定。
為了解決這個問題，Intrinsix 的工程師開發了一種優雅的策略來擴展這些放大器的帶寬。由于通帶是電感的函數，因此可以通過改變電感來調整頻率響應。通過以電子方式調整電感，可以將通帶調整為信號頻率，從而形成可以在多個頻段上高效運行的驅動器電路。
使用這些技術，共源共柵驅動器的效率得到提高而不會損失帶寬。
概括
通過使用電感而不是電阻上拉，共源共柵驅動器的效率可以加倍。Intrinsix 的模擬工程師開發了使用片上電感上拉的驅動器建模和實現技術。多年來，它們一直有效地用于在首次通過硅片上工作的 IC。